0 引言

据中国地震台网中心测定, 2017年8月9日7时27分(北京时间), 新疆维吾尔自治区博尔塔拉州精河县发生M_S6.6地震(简称精河6.6级地震), 震中位于44.27°N、82.89°E, 震源深度11km, 乌鲁木齐、博州、昌吉、伊犁、克拉玛依等地震感强烈。据新疆区域数字地震台网测定, 截至2017年9月30日, 精河6.6级地震震源区共记录余震396次, 其中, M_S3.0~3.9余震18次, M_S4.0~4.9余震6次, 余震最大震级为M_S4.7。1900年以来, 距震中200km范围内发生11次6级以上地震, 其中, 7级地震1次, 为1944年新源M_S7.2地震, 其震中距此次地震震中94km。距离上最近的地震为1955年乌苏M_S6.5地震, 距此次地震震中59km; 时间上最近的地震为2012年新源、和静M_S6.6地震, 距此次地震震中179km。基于现场考察和强震记录, 新疆地震局给出了此次精河6.6级地震的等震线分布, 即等震线呈近椭圆形, 长轴走向近NWW, 极震区烈度达Ⅷ度, 长约44km ^①。

① http://www.eq-xj.gov.cn/dzpd/dszd/2017betl/yjxd/yjxy/25117.html

中国地震局地质研究所网站公布的精河6.6级地震区域地震构造图显示 ^② , 此次地震发生在库松木契克山前断裂附近。该断裂是位于北天山西段北缘的一条边界断层, 同时也是一条区域性的活动断层, 按其活动性特征由西向东可划分为东、中、西3段。其中, 东段东起基普克一带, 向西经乌拉斯泰、乌兰特尔干、扫子木图至龙口以西的阿沙勒河西岸, 总体走向300°~310°, 全长约50km, 由4条走向280°~290°的断层斜列组合而成, 单条断层的长度9~13km, 断层面倾向S, 主要表现为逆断层性质(陈建波等, 2007)。

② http://www.eq-igl.ac.cn/upload/images/2017/8/99175928.jpg

精河6.6级地震发生后, 国内外多家研究机构迅速在该地震的重定位和震源机制解等方面开展了一系列研究, 为满足抗震救灾需求和开展后续科学研究提供了重要参考依据。美国地质调查局网站(USGS)给出精河6.6级地震震源深度约20km, 断错类型为逆冲型^③。中国地震局地球物理研究所给出的早期地震序列精定位结果显示^④, 此次地震序列呈近EW向分布, 深部余震分布为S倾, 震源深度约15km; CAP方法反演震源机制解为逆冲型地震, 震源矩心深度为20km。中国地震台网中心重定位结果显示^⑤, 此次地震序列近EW向分布, 深部余震显示发震断层面近乎垂直; CAP方法反演震源机制解为逆冲型地震, 震源矩心深度为23km。不同研究机构给出的结果显示, 震源深度存在一定的差异, 同时, 深部余震倾向的不同也给理解此次地震的发震构造带来了一定的难度。

③ https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us2000a65e#moment-tensor

④ http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275885.html

⑤ http://www.csi.ac.cn/manage/eqDown/05LargeEQ/201708090727M6.6/zonghe.html

已有研究结果表明(Waldhauser et al, 2000; 易桂喜等, 2015、2017), 精确定位后的主震及其余震序列空间展布和震源机制解, 对震后快速确定发震构造、判定未来发展趋势及灾后恢复重建规划等均具有重要意义。精河6.6级地震震中附近台站相对较少, 距震中100km半径范围内仅有2个固定测震台。地震发生后, 新疆地震局迅速启动Ⅱ级应急响应, 第一时间前往震区架设了2个流动台站, 第1个流动台于8月9日18时正式运行, 并将数据实时传输至新疆地震局台网中心, 积累了较为丰富的序列观测资料, 为后续的震情跟踪和研究工作提供了重要依据。

本文基于研究区域的固定台和流动台所记录的震相数据, 采用HypoDD方法对精河6.6级地震序列进行重新定位, 获得了较为准确的空间分布图像。在此基础上, 结合此次地震其它相关研究成果以及震区的地质构造研究, 讨论精河6.6级地震序列的空间分布特征和可能的发震构造。

1 方法与资料 1.1 双差定位方法

目前, 双差定位(HypoDD)方法(Waldhauser et al, 2000)被国内研究人员广泛运用, 并取得了诸多有意义的研究结果(吕坚等, 2008a、2008b;房立华等, 2011、2013、2014;王未来等, 2014; Long et al, 2015)。该方法是一种相对地震定位法, 是在主事件地震定位法基础之上发展起来的, 其不但能减小速度结构模型的不准确性对定位结果的影响, 还可用于大空间范围的地震精确定位(杨智娴等, 2003)。双差定位算法使用的前提条件是:2个地震间的距离相对于地震到台站的距离以及介质速度变化的尺度足够小, 从而2条射线的路径可以近似看成是相同的, 这样在同一台站记录到的2个事件的走时之差就可归结为2个事件的空间位置的差异。

把2个地震i和j到台站k的观测走时差与理论计算走时差之差定义为双重残差, 表示为dr_k^ij

$ {\rm{d}}r_k^{ij} = r_k^i - r_k^j = {(t_k^i - t_k^j)^{{\rm{obs}}}} - {(t_k^i{\rm{ - }}t_k^j)^{{\rm{cal}}}} $

(1)

式中, (t_kⁱ-t_k^j)^obs为实际观测走时差; (t_kⁱ-t_k^j)^cal为理论计算走时差。将由所有地震(i, j=1, 2, …, N)、所有台站(k=1, 2, …)得到的如式(1)的方程采用矩阵表示为

$ \mathit{\boldsymbol{WGm = Wd}} $

(2)

式中, G为包含偏导数M×4N阶(M为双差的观测数; N为地震数)的矩阵; d为包含双差式(1)的数据矢量; m为长度4N的矢量, 含有待定震源参数的变化; W为对每个方程加权的对角矩阵。计算时利用下式约束所有地震重新定位后平均位移为0, 即其质心不动。通过进一步迭代, 使定位残差逐步减小, 从而得到最终的定位结果

$ \sum\nolimits_{i = 1}^N {\Delta {\mathit{\boldsymbol{m}}_i} = 0} $

(3)

1.2 资料

本研究采用距精河6.6级地震震中400km范围内的27个固定台和2个流动台对此次地震序列进行重定位(图 1)。重新定位所使用的资料主要来源于新疆区域数字地震台网提供的震相观测报告。选取2017年8月9日~9月30日, 具有3个以上台站记录和6个以上震相数的370次M_L≥1.0地震进行重新定位。其中, P波到时资料3678个, S波到时资料2945个, 平均每次地震有18个震相数据。为检查观测报告中震相数据的可靠性, 绘制了P波和S波的震相走时曲线(图 2), 由图 2可见, Pg(Pn)、Sg(Sn)震相的走时曲线区分明显, 且离散度较小, 因此认为, 这4种震相的到时数据可靠性较高。

本文采用HypoDD方法对精河6.6级地震序列进行重新定位, 获取了212次地震序列的重定位结果。在重定位过程中, 设置最小连接数和最小观测数均为8, 事件对的最大距离设为10km; P波、S波到时的权重分别设为1.0、0.5;地震定位时分3组, 15次反复迭代。由于震中周围人工地震测深的研究结果甚少, 本文在重定位过程中尝试了该研究区附近多个分层速度结构模型, 最终选用CRUST1.0分层速度模型结果(表 1)。

2 地震序列重新定位结果 2.1 重定位平面分布特征

基于上节所述的HypoDD方法及参数设置, 获得了精河6.6级地震序列的重定位结果。精河6.6级地震被重定为发震时刻2017年8月9日7时27分51秒, 震中44.2639°N、82.8294°E, 震源初始破裂深度为17.6km。地震序列东西、南北及垂直向定位平均相对误差分别为0.5、0.4、0.9km, 平均走时残差为0.08s。

图 3(a)、3(b)分别为精河6.6级地震序列重定位前、后的结果。由图 3可见, 重定位前地震序列分布分散, 无明显优势分布方向; 重定位后地震分布更加集中, 震中位置明显向内紧缩。重定位后平面分布图(图 3(b))显示, 精河6.6级地震余震密集区主要集中分布在库松木契克山前断裂东段, 展布长度约20km, 总体沿近EW向(273°)单向扩展, 与震后应急科考给出的烈度分布特征^⑥相符, 同时与库松木契克山前断裂东段4条走向280°~290°的断层大致吻合。另外, 精河6.6级地震的余震主要集中发生在主震后20天内, 其后, 余震的分布在近EW向尾端有向SW方向偏转的迹象。

⑥新疆维吾尔自治区地震局, 2017, 2017年8月9日新疆精河6.6级地震灾害调查评估结果的报告

2.2 重定位剖面分布特征

震源深度剖面显示, 重定位之后的地震震源深度优势分布为7~18km(图 4), 且发生在地壳浅部的余震非常少。这与震后应急科考在震中附近没有发现明显的地表破裂带的结果一致。同时, 与张勇等^④得到的此次地震震源破裂过程显示的地壳浅部静态滑动量较小(小于0.3m)的结果具有较好的一致性。

为详细展示此次地震发震断层面的结构特征, 给出了2条震源深度的剖面图(图 5), 其中, 一条为沿震中分布的优势长轴走向A-A'剖面, 另外一条为近垂直于震中分布的优势长轴走向B-B'剖面。A-A'剖面(图 5(a))显示, 精河6.6级地震余震沿近EW向单侧扩展, 展布长度约15km; 主震及余震序列向西10km范围内, 余震震源有逐渐变浅的趋势, 且余震数量较多; 余震序列的尾端向SW向偏转的地震震源较深, 且余震数量较少(图 5(a))。B-B'剖面反映了沿断层倾向的震源深度分布特征, 清晰地展示出地震序列震源自北向南呈现逐渐加深的变化特征。另外, B-B'剖面揭示出此次地震可能的发震断层面倾向为S倾, 与库松木契克山前断裂东段倾向(陈建波等, 2007)一致。

中国地震局地球物理研究所利用CAP方法反演得到了精河6.6级地震的最佳双力偶节面解^④, 结果显示, 此次地震断错类型为逆冲型, 与震中附近的库松木契克山前断裂东段运动性质相符。其中, 节面Ⅰ走向262°、倾角45°、滑动角80°, 节面Ⅱ走向96°、倾角46°、滑动角100°, 断层节面Ⅰ和节面Ⅱ均近EW向。结合精定位空间分布特征分析认为, S倾节面Ⅱ为此次地震的真实发震断层面, 这与库松木契克山前断裂东段S倾相符。因此, 综合主震震源机制、地震序列空间分布特征以及震区构造地质情况等推断, 此次精河6.6级地震发震构造为库松木契克山前断裂东段。

3 结论

本文基于新疆区域数字地震台网观测报告, 采用HypoDD方法对精河6.6级地震序列进行了重定位, 获得了地震序列的重定位结果, 并结合中国地震局地球物理研究所利用CAP方法反演所得的震源机制解, 分析了该地震序列的空间分布和不同剖面震源深度的变化特征以及其可能的发震构造, 得到以下结论。

(1) 精河6.6级地震发震时刻为2017年8月9日7时27分51秒, 震中44.2639°N、82.8294°E, 震源初始破裂深度为17.6±0.9km, 较中国地震局地球物理研究所采用CAP方法获得的最佳拟合震源矩心深度20km要浅。

(2) 双差定位结果显示, 此次地震序列总体沿近EW向(273°)单侧扩展, 展布长度约20km, 与库松木契克山前断裂东段4条走向280°~290°的断层大致吻合; 震源深度优势分布为7~17km; 沿余震走向的深度剖面显示, 精河6.6级地震序列破裂始于深部, 然后向浅部扩展, 且主震向西10km范围内, 余震震源有逐渐变浅的趋势, 余震序列分布中尾端向SW向偏转的地震震源较深; 垂直于地震序列的深度剖面显示, 地震序列震源自北向南呈逐渐加深的变化特征, 表明发震断层面倾向为S倾, 与库松木契克山前断裂东段倾向一致。

(3) 中国地震局地球物理研究所给出的震源机制解结果显示, 精河6.6级地震断错类型为逆冲型, 南倾节面Ⅱ为此次地震的真实发震断层面, 与库松木契克山前断裂东段断错类型以及断层倾向相符。

(4) 由于地表所见的断层与深部发震构造之间的关系比较复杂, 通过所见的地表断层推测深部的发震构造或震源的位置, 具有一定的不确定性。但是, 前人针对库松木契克山前断裂剖面的研究甚少, 故无法将地震投影至构造剖面上。本文综合精河6.6级地震序列的空间分布和震源机制解推测, 此次精河6.6级地震的发震构造为库松木契克山前断裂东段。

致谢: 中国地震局地球物理研究所房立华研究员对HypoDD软件的使用给予了悉心的指导, 新疆地震局监测中心为本研究提供了波形资料和观测报告, 审稿专家对本文细致审阅并提出了富有建设性的修改意见。本研究部分图件采用GMT软件绘制。在此一并表示感谢。